DE10007261B4 - Piezoelektrische Keramikzusammensetzung und Verwendung derselben - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrische
Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente, dargestellt durch
die allgemeine Formel SrBi2Nb2O9 und W in einer Menge von größer 0 bis
0,3 Mol bezogen auf ein Mol Bi der Hauptkomponente.
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 1. Fachbereich der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Keramikzusammensetzungen und Verwendungen derselben. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung piezoelektrische Keramikzusammen-setzungen, die als Werkstoffe für piezoelektrische Keramikfilter, piezoelektrische Keramikoszillatoren und piezoelektrische Keramikvibratoren nützlich sind, und betrifft piezoelektrische keramische Vorrichtungen unter Verwendung derselben.
- 2. Beschreibung des Fachbereichs
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzungen, umfassend Bleititanatzirkonat (Pb(TixZr1-x)O3) oder Bleititanat (PbTiO3) als Hauptkomponenten finden umfangreiche Anwendung bei piezoelektrischen Keramikfiltern, piezoelektrischen Keramikoszillatoren und piezoelektrischen Keramikvibratoren. Zur Herstellung der piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen, umfassend Bleititanatzirkonat oder Bleititanat als Hauptkomponenten, wird allgemein Bleioxid verwendet. Bleioxid macht jedoch bestimmte Vorrichtungen, wie z.B. Filter, zur Entfernung des pulvrigen Bleioxids er forderlich, das durch Verdampfung während der Herstellungsschritte ausgetragen wird. Solche Vorrichtungen erhöhen die Produktionskosten, und außerdem vermindert die Verdampfung des Bleioxids die Gleichmäßigkeit der Produktqualität.
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzungen dagegen, die auf Bismut aufgebaute Verbindungen wie (Sr1-xMx)Bi2Nb2O9 als Hauptkomponenten und Mn als wahlweise Komponente umfassen, enthalten kein Bleioxid und ergeben daher nicht die obengenannten Probleme.
- Diese piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen müssen allerdings bei hohen Temperaturen von mindestens 1.250°C gesintert werden, um piezoelektrische keramische Werkstoffe mit elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt von mindestens 10% zu erhalten, bei welchen es sich um praktisch anwendbare Größen handelt. Daher machen diese piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen Sinteröfen erforderlich, die solch hohen Sintertemperaturen standhalten können. Darüber hinaus zeigen Einsatzbehälter und ähnliches zur Aufnahme der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung während der Sinterung kurze Nutzdauern im Hochtemperaturbetrieb, was zu steigenden Produktionskosten führt.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, die bei einer Temperatur von 1.100°C oder weniger sinterbar ist, kein Blei oder Bleiverbindungen enthält und eine praktisch anwendbare Größe des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten kt bei solch einer niedrigen Sintertemperatur zeigt.
- Diese Aufgabe wird mit einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen gerichtet.
- Eine vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Anspruches 8.
- Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung ist als Werkstoff für piezoelektrische Keramikfilter, piezoelektrische Keramikoszillatoren und piezoelektrische Keramikvibratoren nützlich.
- Die obigen Aufgaben, weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den nachfolgenden bevorzugten Ausführungsformen weiter ersichtlich werden.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- In
1 ist eine isometrische Ansicht eines Beispiels für einen piezoelektrischen Keramikvibrator gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt; und
in2 ist eine schematische Querschnittsansicht des in1 gezeigten piezoelektrischen Keramikvibrators gezeigt. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung setzt sich zusammen aus einer Hauptkomponente, wie dargestellt durch die Formel (Sr1-xMx)Bi2Nb2O9, worin M ein anderes zweiwertiges Metallelement als Sr oder ein anderes dreiwertiges Metallelement als Bi ist und 0 ≤ x ≤ 0,3. Alternativ dazu setzt sich die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen aus einer Hauptkomponente, wie dargestellt durch die Formel SrBi2Nb2O9.
- Bei der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente, wie dargestellt durch die allgemeine Formel (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9, weist das tiefgestellte x darauf hin, daß der M1-Gehalt in einem Bereich von 0 < x ≤ 0,3 liegt. Bei einem M1-Gehalt außerhalb dieses Bereichs erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient kt keine praktisch anwendbare Größe.
- Bei der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente, wie dargestellt durch die allgemeine Formel (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9, weist das tiefgestellte x darauf hin, daß der M2-Gehalt im Bereich von 0 < x ≤ 0,45 liegt. Bei einem M2-Gehalt außerhalb dieses Bereichs erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient keine praktisch anwendbare Größe.
- Bei den piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung weist das tiefgestellte y darauf hin, daß der W-Gehalt im Bereich von 0 < y ≤ 0,3 liegt. Enthält die piezoelektrische Keramikzusammensetzung kein W (y = 0), so ist diese piezoelektrische Keramikzusammensetzung bei einer Temperatur von 1.100°C oder weniger nicht ausreichend sinterbar und ist nicht polarisiert. Übersteigt das tiefgestellte y 0,3, so erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient kt keine praktisch anwendbare Größe.
- Bei der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente, wie dargestellt durch die allgemeine Formel SrBi2Nb2O9, und W als eine zusätzliche Komponente, liegt der W-Gehalt in einem Bereich von größer 0 bis 0,3 Mol, bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente. Beträgt der W-Gehalt 0, so ist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung bei einer Temperatur von 1.100°C oder weniger nicht ausreichend sinterbar und ist nicht polarisiert. Übersteigt der W-Gehalt 0,3 Mol, so erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient kt keine praktisch anwendbare Größe.
- Diese piezoelektrische Keramikzusammensetzung kann außerdem eines umfassen von anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen der dreiwertigen Metalle als Bi in einer Menge von größer 0 bis 0,15 Mol, bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente. Übersteigt der Gehalt an zweiwertigem oder dreiwertigem Metall 0,15 Mol, so erreicht der elektromechanische Kopplungskoeffizient kt keine praktisch anwendbare Größe.
- Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt vorzugweise außerdem Mangan als einer Hilfskomponente in einer Menge von größer 0 bis 1,0 Gewichtsprozent in Form von MnCO3. Die Zugabe von Mangan trägt zu verbesserten Sintereigenschaften bei. Übersteigt der Gehalt an Mangan 1,0 Gewichtsprozent in Form von MnCO3, so ist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung nicht polarisiert.
- Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besonders dann erkennbar, wenn das M1 mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
- Die Vorteile der vorliegenden Erfindung auch dann besonders erkennbar, wenn das M2 mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
- Darüber hinaus sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung besonders dann erkennbar, wenn das andere zweiwertige Metall als Sr oder andere dreiwertige Metall als Bi mindestens ein Element ist, gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y.
- In
1 ist eine isometrische Ansicht eines Beispiels für einen piezoelektrischen Keramikvibrator gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, und in2 ist eine schematische Querschnittsansicht des piezoelektrischen Keramikvibrators gezeigt. Ein piezoelektrischer Keramikvibrator10 besteht zum Beispiel in einem rechteckig geformten piezoelektrischen keramischen Werkstoff12 . Der piezoelektrische keramische Werkstoff12 weist zwei piezoelektrische Keramikschichten12a und12b auf. Diese piezoelektrischen Keramikschichten12a und12b setzen sich aus der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung der vorliegenden Erfindung zusammen und werden aufeinander laminiert. Darüber hinaus werden die piezoelektrischen Keramikschichten12a und12b in derselben Dickenrichtung polarisiert, wie durch die Pfeile in2 gezeigt. - Eine kreisförmige Zitterelektrode
14a wird zwischen den piezoelektrischen Keramikschichten12a und12b hergestellt, und eine Extraktionselektrode16a in T-Form erstreckt sich von der Zitterelektrode14a bis hin zu einer Endfläche des piezoelektrischen keramischen Werkstoffs12 . Eine weitere kreisförmige Zitterelektrode14b wird auf der piezoelektrischen Keramikschicht12a hergestellt, und eine weitere Extraktionselektrode16b in T-Form erstreckt sich von der Zitterelektrode14b bis zur anderen Endfläche des piezoelektrischen keramischen Werkstoffs12 . Darüber hinaus wird eine dritte kreisförmige Zitterelektrode14c auf der piezoelektrischen Keramikschicht12b hergestellt und eine Extraktionselektrode16c in T-Form erstreckt sich von der Zitterelektode14c bis zur anderen Endfläche des piezoelektrischen keramischen Werkstoffs12 . - Die Extraktionselektrode
16a ist an den Außenanschluß20a über eine Bleileitung18a angeschlossen, die Extraktionselektroden16b und16c dagegen an einen anderen Außenanschluß20b über eine andere Bleileitung18b . - Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Vorrichtungsanordnung beschränkt, wie anhand des piezoelektrischen Keramikvibrators
10 gezeigt, sondern ist auch auf andere Vorrichtungsanordnungen und weitere piezoelektrische keramische Geräte anwendbar, wie zum Beispiel piezoelektrische Keramikvibratoren unter Ausnutzung von Schwingungstypen (zum Beispiel Dickenscherungsschwingung oder dritte Dickenoberwellen), piezoelektrische Filter und piezoelektrische Keramikoszillatoren. - BEISPIELE
- Als Ausgangsstoffe wurden SrCO3, Bi2O3, Nb2O5, CaCO3, BaCO3, La2O3, Nd2O3, Sm2O3, Y2O3, WO3 und MnCO3 hergestellt. Diese Stoffe wurden abgewogen und mittels eines Naßverfahrens in einer Kugelmühle über etwa 4 Stunden hinweg so vermischt, daß eine Zusammensetzung (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWY)2O9 + z Gewichtsprozent MnCO3 erhalten wurde, worin M1 eines ist von anderen der zweiwertigen Metalle als Sr und anderen der dreiwertigen Metalle als Bi, 0 ≤ x ≤ 0,35, 0 ≤ y ≤ 0,35 und 0 ≤ z ≤ 1,1, oder die Zusammensetzung (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9 + z Gewichtsprozent MnCO3 erhalten wurde, worin M2 ein anderes dreiwertiges Metall als Bi ist, 0 ≤ x ≤ 0,5, 0 ≤ y ≤ 0,35 und 0 ≤ z ≤ 1,1. Das Gemisch wurde getrocknet und bei 700 bis 900°C calciniert. Das calcinierte Gemisch wurde grob pulverisiert und dann zusammen mit einer geeigneten Menge eines organischen Bindemittels durch ein Naßverfahren über 4 Stunden hinweg feinpulverisiert. Das pulverisierte Pulver wurde unter Verwendung eines Siebes mit 40 Löchern auf einer Länge von 2,54 cm (40-mesh-Sieb) zur Einstellung der Teilchengröße gesiebt. Das Pulver wurde unter einem Druck von 98,1 MPa (1.000 kg/cm2) zum Erhalt einer Scheibe eines Durchmessers von 12,5 mm und einer Dicke von 1 mm gepreßt. Die Scheibe wurde bei 900 bis 1250°C in Umgebungsluft zum Erhalt einer Keramikscheibe gesintert. Eine Silberpaste wurde auf beide Oberflächen der Keramikscheibe zur Herstellung von Silberelektroden aufgebracht. Eine Gleichstrom-spannung von 5 bis 10 kV/mm wurde zwischen die Silberelektroden über 10 bis 30 Minuten hinweg in einem Isolieröl bei 150 bis 200°C zur Polarisierung angelegt. In dieser Weise wurde eine piezoelektrische Keramikprobe erhalten. Ähnlich wurden piezoelektrische Keramikproben hergestellt, bei denen die Arten von M1 oder M2, die M1- oder M2-Gehalte (x) und die W-Gehalte (y) variiert wurden.
- Die Hälfte des tiefgestellten x in obiger Formel (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9 entspricht dem Gehalt an zweiwertigem oder dreiwertigem Metall, bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente bei der vierten Ausführungsform. Ähnlich entspricht ein Drittel des tiefgestellten x in obiger Formel (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9 dem Gehalt an zweiwertigem oder dreiwertigem Metall, bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente bei der vierten Ausführungsform.
- Es wurden Dichte, spezifischer Widerstand und elektromechanischer Kopplungskoeffizient kt jeder Probe gemessen. In Tabellen 1 bis 3 sind die Ergebnisse gezeigt, und außerdem die Art von M1 oder M2, x, y, der MnCO3-Gehalt und die Sintertemperatur. In Tabellen 1 bis 3 bezeichnen die mit einem Sternchen versehenen Probennummern solche Proben, die sich außerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung befinden.
- Tabelle 1
- Tabelle 2
- Tabelle 3
- Wie in Tabellen 1 bis 3 gezeigt, weisen die Proben gemäß der vorliegenden Erfindung elektromechanische Kopplungskoeffizienten kt auf, die praktisch anwendbare Größen darstellen, wenn die Proben bei einer Temperatur von 1.100°C oder weniger gesintert werden.
Claims (8)
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzung, umfassend eine Hauptkomponente, dargestellt durch die allgemeine Formel SrBi2Nb2O9 und W in einer Menge von größer 0 bis 0,3 Mol bezogen auf ein Mol Bi der Hauptkomponente.
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1, worin die Hauptkomponente durch die allgemeine Formel SrBi2(Nb1-yWy)2O9, 0 < y ≤ 0,3 dargestellt wird.
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 1, die weiterhin eines von divalenten Metallen außer Sr und/oder trivalenten Metallen außer Bi in einer Menge von mehr als 0 bis 0,15 Mol bezogen auf 1 Mol Bi in der Hauptkomponente umfaßt.
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 3, worin die Hauptkomponente durch die allgemeine Formel (Sr1-xM1x)Bi2(Nb1-yWy)2O9 dargestellt ist, wobei M1 eines von divalenten Metallen außer Sr bzw. trivalenten Metallen außer Bi mit 0 < x ≤ 0,3 und 0 < y ≤ 0,3 ist.
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, worin das eine divalente Metall außer Sr und/oder trivalente Metall außer Bi zumindest ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ca, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y besteht.
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 3, worin die Hauptkomponente durch die allgemeine Formel (Sr1-xM22x/3)Bi2(Nb1-yWy)2O9 dargestellt ist, wobei M2 ein trivalentes Metall außer Bi und 0 < x ≤ 0,45 und 0 < y ≤ 0,3 ist.
- Piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach Anspruch 6, worin M2 zumindest ein Element ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc und Y besteht.
- Verwendung einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung nach einem der vorstehenden Ansprüche für eine piezoelektrische keramische Vorrichtung, die Elektroden umfaßt.
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